一种面向钛合金薄壁件的铣削颤振预测方法的研究

摘要

随着航天航空事业的不断发展，薄壁件铣削加工在这一领域应用的日益广泛。然而在加工中，薄壁零件的材料去除量较大，各部分的刚度较低，因此加工过程中的稳定性不足。因此如何实现薄壁零件高精度、高效率和高可靠性的加工成了制造业亟待解决的难题。 本课题的研究中，薄壁件和叶轮这类薄壁零件具有与铣削所用刀具相似的动态特性。这就导致若单独研究某一对象的动态特性，都不能真实、准确地反映加工中稳定性的变化情况。另外，薄壁零件在铣削中，被去除的材料占比大，动态特性多变，仅依靠加工前测量的模态数据来预测整个加工过程的稳定性是不准确的。因此，本文综合考量了铣削过程中刀具和工件两方面动态特性的影响;并采用有限元方法计算了加工过程中各个阶段薄壁件的模态参数以预测铣削稳定性的变化;最后引入多目标函数优化的方法来寻找最佳的薄壁零件加工条件。具体研究内容如下: (1).本文根据球头铣刀的几何特点，将球头铣刀沿着轴向划分为多个微元，进而建立了球头铣刀刀具微元的铣削力模型，进而得到薄壁零件三轴铣削力模型。将三轴铣削力模型加以引申，通过考虑刀具的倾斜角度来模拟刀具在多轴铣削加工中的力学特征，从而建立起球头铣刀的多轴铣削力学模型。 (2).基于有限元离散化的思想，采用有限元分析方法，对薄壁平板建立二维平面四边形单元和三维六面体单元的有限元模型来分析工件的模态特征，计算模态参数。并通过模态锤击实验来对比分析了有限元方法的准确性。并通过实验进行了验证。 (3).引进相对传递函数的概念，综合考虑刀具和工件两者动态特性对于铣削稳定性的影响。首先分别计算刀具、工件各自的传递函数;之后通过线性加和的方式来获得刀具—工件铣削系统的相对传递函数。之后采用频域分析方法绘制稳定性叶瓣图，分析加工中稳定性的变化情况。 (4).依据以上研究结果，以稳定铣削加工为约束，建立以最佳加工表面质量和最大材料去除率为目标函数的多目标优化函数。通过优化计算来获得薄壁零件铣削加工的最优加工参数及切削条件。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章绪论

1．1本课题研究的意义与背景

1．2薄壁零件颤振稳定性的研究现状

1．2．1铣削加工过程系统动力学理论建模的研究概况

1．2．2薄壁件铣削颤振稳定性预测方法的研究概况

1．2．3叶轮铣削颤振稳定性预测方法的研究概况

1．3本文的研究内容与结构

1．4本章小结

第2章铣削加工铣削力建模的研究

2．1球头铣刀的铣削力建模理论

2．1．1球头铣刀空间几何模型

2．1．2球头铣刀铣削力模型的建立

2．2三轴铣削力建模与仿真分析

2．2．1三轴铣削力的建模

2．2．2三轴铣削力的仿真与实验对比分析

2．3多轴铣削力的建模

2．4铣削力系数识别实验

2．4．1铣削力系数识别实验的理论

2．4．2铣削力系数识别实验设备

2．4．3铣削力系数识别实验的测量结果

2．5本章小结

第3章薄壁件模态特性的研究

3．1薄壁平板二维有限元模型的建立

3．1．1薄壁平板二维有限元模型理论

3．1．2薄壁平板二维有限元方法的模态分析及结果

3．2薄壁平板三维有限元模型的建立

3．2．1薄壁平板三维有限元模型理论

3．2．2薄壁平板三维有限元方法的模态分析及结果

3．3叶轮几何模型的建立及加工过程

3．3．1叶轮几何模型的建立

3．3．2叶轮的切削加工过程

3．4模态锤击实验

3．4．1模态锤击实验方案的确定

3．4．2薄壁平板的模态锤击实验与仿真结果的对比分析

3．4．3叶轮的模态锤击实验结果

3．5本章小结

第4章基于相对传递函数的铣削薄壁件稳定性的分析

4．1铣削加工动力学模型的建立

4．1．1再生颤振稳定性模型

4．1．2铣削颤振稳定性分析方法

4．2铣削加工系统模态参数的识别

4．2．2刀具—工件系统相对传递函数的计算

4．3薄壁件铣削加工过程稳定性的分析

4．3．1薄壁平板的铣削稳定性预测

4．3．2薄壁平板在不同加工阶段内的铣削稳定性分析

4．3．3叶轮铣削加工过程稳定性的分析

4．4本章小结

第5章薄壁件铣削加工工艺优化与表面质量分析

5．1多目标优化函数理论

5．1．1多目标优化模型的分析与确定

5．1．2目标函数的分析与确定

5．1．3设计变量的分析与确定

5．1．4约束条件的分析与确定

5．1．5多目标优化函数算法的实现

5．2薄壁平板铣削加工中粗、精加工阶段的工艺优化

5．2．1粗加工阶段的目标函数

5．2．2精加工阶段的目标函数

5．2．3薄壁平板的优化方法

5．2．4薄壁平板粗、精加工阶段多目标优化的实现和结果

5．3薄壁件加工表面质量分析

5．3．1薄壁平板加工表面质量分析

5．3．2叶轮加工表面质量分析

5．4本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录